2024-2025学年新教材高中物理第3章恒定电流第3节电功与电热学案鲁科版第三册

PAGE8-第3节电功与电热学习目标：1.[物理观念]知道电功与电功率的概念，了解电热、热功率，知道焦耳定律，并能说明有关纯电阻电路和非纯电阻电路的问题。2.[科学思维]理解焦耳定律并会用Q＝I2Rt计算电热，能够对纯电阻电路和非纯电阻电路进行电功与电热的计算，提高解题实力。3.[科学探究]能从能量守恒的角度探究电路中的能量转化关系，学会与他人沟通合作，提高试验探究实力。4.[科学看法与责任]了解科学技术与社会环境的关系，体会电能的运用对人类生活和发展的影响，培育自觉爱护环境的行为习惯。一、电功和电功率电功电功率概念电场力对定向移动的自由电荷所做的功单位时间内电流所做的功公式W＝qU＝UItP＝eq\f(W,t)＝UI单位焦耳，符号J瓦特，简称瓦，符号W物理意义描述电能转化为其他形式的能的多少描述电流做功的快慢说明：计算电功率的普遍公式P＝eq\f(W,t)(比值定义法)和P＝UI，对于纯电阻电路，计算电功率还可以用公式P＝I2R和P＝eq\f(U2,R)。二、焦耳定律1．内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。2．公式：Q＝I2Rt。3．单位：焦耳，简称焦，符号J。留意：对于纯电阻电路还是非纯电阻电路，计算电热都用Q＝I2Rt。三、身边的电热1．电热水器、电饭锅等家用电器是利用了电流的热效应，其电阻丝都是由电阻率较大的材料制成的。2．电焊是在焊接的金属接触面上通过电流，利用接触电阻产生的热量得到适合焊接的高温，从而对接触面进行焊接的一种方法。3．插头和插座之间、电线连接处假如接触不良，都会产生大电阻，简单发热，甚至迸出火花。4．电视机和显示器的后盖有许多孔，计算机的CPU要安装散热片及风扇，都是为了散热。说明：当利用电热时，运用电阻大的；当削减电热时，则使电阻R减小。1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)千瓦时(kW·h)是电功的常用单位。1kW·h＝3.6×106J。 (√)(2)电流做功的过程中，电能转化为其他形式的能。 (√)(3)电功率越大，电流做功肯定越快。 (√)(4)任何电路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt。 (×)2．(多选)对电功及焦耳定律公式的理解正确的是()A．焦耳定律适用于一切电路的焦耳热的求解B．电功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都适合于任何电路，因此W不肯定等于QC．非纯电阻电路中的电功可能等于焦耳热D．电功的另一表达式W＝eq\f(U2,R)t适用于任何电路AB[任何电路的热功率以及焦耳热都可用焦耳定律求解，A正确；B选项中的两个公式均适合于任何电路，但W不肯定等于Q，B正确；在非纯电阻电路中，电功肯定大于焦耳热，C错误；W＝eq\f(U2,R)t只适用于纯电阻电路，D错误。]3．在直流电路中，两个电阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通过的电流之比I1∶I2＝2∶1，则在相等时间内两个电阻产生的热量之比Q1∶Q2为()A．1∶1 B．2∶1C．4∶1 D．8∶1D[已知两个电阻的阻值之比是2∶1，通过的电流之比是2∶1，则相等时间内产生的热量之比eq\f(Q1,Q2)＝eq\f(I\o\al(2,1)R1t,I\o\al(2,2)R2t)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,1)))eq\s\up12(2)×eq\f(2,1)＝eq\f(8,1)，故D正确。]电功和电功率电热和热功率如图所示，已知电路两端的电势差为U，电路中的电流为I，在t时间内通过导体某截面的电荷量是多少？把这些电荷从左端移到右端，电场力做功是多少？提示：由电流的定义式可得通过某截面的电荷量为q＝It，依据静电力做功的公式W＝qU可得W＝IUt。1．对电功的理解(1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功。(2)从能的角度看，电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的削减量，标记着电能转化为其他形式的能的多少。(3)电功W＝UIt＝qU对任何电路都适用。2．对电功率的理解(1)电功率P＝eq\f(W,t)＝UI对任何电路都适用。(2)额定功率和实际功率①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率。②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率。3．电热和热功率(1)电热的计算公式为Q＝I2Rt。(2)热功率的计算公式为P热＝I2R。【例1】(多选)有一内阻为4.4Ω的直流电动机和一盏标有“110V60W”的灯泡串联后接在电压为220V的直流电源两端，灯泡正常发光，则()A．直流电动机消耗的电功率为120WB．直流电动机的发热功率为60WC．直流电动机消耗的电功率为60WD．电路消耗的总功率为120W思路点拨：(1)流过电动机和灯泡的电流相等。(2)依据公式P＝UI和P＝I2r计算电功率和热功率。CD[“灯泡正常发光”说明灯泡的实际电压为110V，电流I＝eq\f(60,110)A＝eq\f(6,11)A，电动机两端的电压为110V，电动机消耗的电功率为110V×eq\f(6,11)A＝60W，选项A错误，C正确；直流电动机的发热功率为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(6,11)))eq\s\up12(2)×4.4W＝1.3W，选项B错误；电路消耗的总功率为eq\f(6,11)×220W＝120W，选项D正确。]四个电学公式的适用范围(1)电功W＝UIt＝qU普遍适用。(2)I＝eq\f(q,t)为电流的定义式，普遍适用。(3)I＝eq\f(U,R)只适用于纯电阻电路。(4)电热Q＝I2Rt普遍适用。eq\o([跟进训练])1．一台电动机额定电压是220V，电阻是1Ω。正常工作时通过的电流为5A，则电动机因发热损失的功率为()A．48400W B．1100WC．220W D．25WD[电动机因发热损失的功率P＝I2R＝52×1W＝25W，故D正确。]2.在现代生活中，充电宝是手机一族出行的必备品。当充电宝电量不足时，须要给充电宝充电，此时充电宝相当于可充电的电池，充电过程可简化为如图所示电路。先给一充电宝充电，充电电压为5V，充电电流为1000mA，充电宝的内阻为0.2Ω。试求：(1)充电宝的输入功率；(2)充电宝内阻消耗的热功率；(3)一分钟内充电宝储存的电能。[解析](1)充电宝的输入功率为P入＝UI＝5×1000×10－3W＝5W。(2)充电宝内阻消耗的热功率为P热＝I2r＝12×0.2W＝0.2W。(3)一分钟内充电宝储存的电能为Q＝P入t－P热t＝5×60J－0.2×60J＝288J。[答案](1)5W(2)0.2W(3)288J纯电阻电路和非纯电阻电路电风扇接上电源后，电风扇转动起来，电风扇消耗的电功率与机械功率和热功率关系怎样？是纯电阻电路还是非纯电阻电路？提示：电功率等于机械功率和热功率之和，是非纯电阻电路。1．纯电阻电路与非纯电阻电路(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能。(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还有大部分转化为机械能或化学能。2．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较项目纯电阻电路非纯电阻电路能量转化状况电功和电热的关系W＝Q即IUt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tW＝Q＋E其他UIt＝I2Rt＋E其他电功率和热功率的关系P＝P热即IU＝I2R＝eq\f(U2,R)P＝P热＋P其他即IU＝I2R＋P其他欧姆定律是否成立U＝IR，I＝eq\f(U,R)成立U＞IR，I＜eq\f(U,R)不成立【例2】小明打算参与玩具赛车竞赛，他想通过试验选择一只能量转换效率较高的电动机，试验时他先用手捏住电动机的转轴，使其不转动，然后放手，让电动机正常转动，分别将2次试验的有关数据记录在表格中。电动机的电压/V电动机工作状态通过电动机的电流/A0.2不转动0.42.0正常转动1.0请问：(1)这只电动机线圈的电阻为多少？(2)当电动机正常工作时，转化为机械能的功率是多少？(3)当电动机正常工作1分钟时，电动机消耗的电能是多少？(4)该玩具电动机正常工作时，电能转化为机械能的效率是多少？思路点拨：[解析](1)电动机不转动时，是纯电阻电路，依据欧姆定律得R＝eq\f(UR,IR)＝eq\f(0.2,0.4)Ω＝0.5Ω。(2)当电动机正常工作时P机＝UI－I2R＝(2×1－12×0.5)W＝1.5W。(3)当电动机正常工作1分钟时，电动机消耗的电能E＝UIt＝2×1×60J＝120J。(4)电能转化为机械能的效率η＝eq\f(P机,P总)×100%＝eq\f(1.5,2)×100%＝75%。[答案](1)0.5Ω(2)1.5W(3)120J(4)75%电动机电路的分析与计算eq\o([跟进训练])3．标有“220V40W”的日光灯、电扇、电烙铁都正常工作5min，它们产生的热量()A．一样多 B．日光灯最多C．电扇最多 D．电烙铁最多D[日光灯、电扇、电烙铁三者的电功相同，但电扇和日光灯都是非纯电阻电器，电功大于电热，而电烙铁是纯电阻电器，电功等于电热，D正确。]4．一台小型电动机在3V电压下工作，用此电动机提升重力为4N的物体时，通过电动机的电流是0.2A，在30s内可将该物体匀速提升3m。若不计除电动机线圈生热之外的能量损失，求：(1)电动机的输入功率；(2)在起先提升物体后的30s内，电动机线圈所产生的热量；(3)线圈的电阻。[解析](1)电动机的输入功率P入＝IU＝0.2×3W＝0.6W。(2)电动机提升物体的机械功率P机＝Fv＝G·eq\f(h,t)＝4×eq\f(3,30)W＝0.4W由能量守恒定律得P入＝P机＋P热故P热＝P入－P机＝(0.6－0.4)W＝0.2W所以电动机线圈产生的热量Q＝P热t＝0.2×30J＝6J。(3)依据焦耳定律Q＝I2Rt可得线圈电阻R＝eq\f(Q,I2t)＝eq\f(6,0.22×30)Ω＝5Ω。[答案](1)0.6W(2)6J(3)5Ω1．物理观念：电功、电功率、热功率、焦耳定律Q＝I2Rt。2．科学思维：纯电阻电路和非纯电阻电路中的电功率、热功率及Q＝I2Rt的理解与计算。3．科学方法：试验法、比较法、计算法等。1．电功率的表达式有三个，P＝UI、P＝I2R、P＝eq\f(U2,R)，下列对这三个表达式的相识正确的是()A．P＝UI适合于纯电阻电路电功率的计算，对于非纯电阻电路不适用B．P＝I2R适合于一切电路的热功率的计算C．P＝eq\f(U2,R)适合于一切电路电功率和热功率的计算D．三个公式各自的适用条件与电路的连接方式有关B[电路可分为纯电阻电路和非纯电阻电路，P＝UI对两种电路都适用，A错误；P＝I2R适用于任何电路的热功率的计算，B正确；P＝eq\f(U2,R)只适用于纯电阻电路的电功率和热功率的计算，C错误；P＝UI、P＝I2R、P＝eq\f(U2,R)的适用条件与电路的连接方式无关，D错误。]2．(多选)甲、乙两只一般照明灯泡的铭牌如图所示，下列说法正确的是()A．甲灯的实际功率肯定总是40WB．将乙灯接入110V电路中，它的额定功率仍为60WC．两灯均正常发光时，甲灯灯丝电阻较大D．两灯均正常发光时，甲灯消耗的电能较少BCD[灯泡的铭牌上标记的是额定电压和额定功率，当工作电压不是220V时，灯泡的实际功率不再是额定功率，但额定功率不会随电压的改变而改变，A错误，B、D正确；由R＝eq\f(U2,P)可知C正确。]3．小芳家正在运用的电器有电灯、洗衣机、电冰箱，小芳从家里的总电能表中测得，在时间t内消耗的电能为W。设小芳家的供电电压为U，总电流为I，上述电器的总电阻为R，总功率为P。下列关系式正确的是()A．P＝eq\f(U2,R) B．W＝I2RtC．I＝eq\f(U,R) D．P＝eq\f(W,t)D[由于洗衣机是非纯电阻电器，欧姆定律不成立，所以关系式P＝eq\f(U2,R)、I＝eq\f(U,R)不成立，故A、C项错误；公式W＝I2Rt只能用来求电热，不能用来求消耗的电能，故B错误；公式P＝eq\f(W,t)普遍适用，故D正确。]4．如图所示为一未知电路，现测得两个端点a、b之间的电阻为R，若在a、b之间加上电压U，测得通过电路的电流为I，则该未知电路的电功率肯定为()A．UIB.eq\f(U2,R)C．I2RD．UI－I2RA[该未知电路两端的电压是U，通过的电流是I，该未知电路的电